4.1. Inter-comparaison des méthodes de désagrégation
4.1.1. Inter-comparaison temporelle des albédos désagrégés
Comme mentionné dans la Section 2.3.2, on cherche à évaluer la nouvelle méthode de désagrégation en la confrontant aux méthodes précédemment développées pour les LSM, non seulement en interne (CA-14) mais également à l’international (RE-08). Afin de comparer les méthodes de désagrégations, les séries temporelles moyennes à l’échelle de la France ont été utilisées.
La Figure IV-11 compare les dynamiques temporelles de l’albédo du sol nu (Figure IV-11(a)) et de l’albédo de la végétation (Figure IV-11(b)), entre 2001 et 2013 sur la zone d’étude (France élargie), pour les trois méthodes de désagrégation. La Figure IV-11(a) met en exergue le fait que la nouvelle version produit un albédo du sol plus dynamique (un écart-type de 0.016), comparé aux versions CA-14 et RE-08 (respectivement un écart type de 0.004 et nul), et permet de distinguer les variations inter et intra-annuelles de l’albédo à l’échelle de la France. Comme dans la version RE-08 (0.090), l’albédo du sol nu évolue autour d’une valeur d’environ 0.099, alors qu’un albédo moyen de 0.075 est obtenu en suivant la version CA-14. Comme dans la version CA-14, un albédo du sol nu dynamique est obtenu. Nous pouvons voir Figure IV-11(a) que comparé à la version CA-14, la version PL-17 permet de suivre de manière plus réaliste les évolutions inter et intra-annuelles. L’albédo du sol nu évolue principalement, de manière anti-corrélée, en fonction de l’humidité (voir Section 1).
En France, l’année 2007 a été particulièrement contrastée en termes de précipitations. L’été a été marqué par une pluviométrie importante tandis que l’automne a montré de forts déficits par rapport aux normales saisonnières. Sur la Figure IV-11(a), les pluies excédentaires des mois de juillet et août 2007 se traduisent par des points très rapprochés en termes de valeurs entre le 12 juillet et le 6 septembre. Ainsi, durant l’été 2007 le sol s’est asséché difficilement (albédo du sol de 0.100 au maximum de l'été). Suite à cet été pluvieux, l’automne a été extrêmement sec, ce qui a entraîné une non-réhydratation des sols. Ainsi, les sols ont continué à s’assécher entrainant une augmentation de l’albédo au cours de cette automne 2007. A l’entrée de l’hiver 2007-2008 l’albédo du sol nu est de 0.106 comparé à une valeur de 0.097 pour la même date de l’hiver précédent (2006-2007). A l’inverse, au mois de septembre 2006, malgré des températures largement supérieures à la moyenne (en 2006, second mois de septembre le plus haut depuis 1950), une pluie excédentaire par rapport aux valeurs saisonnières a entraîné une diminution précoce de l’albédo par rapport aux normales.
Ainsi, dès le jour 233 une chute de l’albédo a été détectée. Le même phénomène s’est produit en 2003. Malgré un mois d’été très sec (albédo du sol de 0.115 au maximum de l’été), l’automne 2003 a été marqué par des pluies largement excédentaires dans les deux tiers Sud du pays, plaçant alors l’automne 2003 comme l’automne le plus humide depuis 1950. Ce phénomène a donné lieu à une saturation totale des sols en eau. Cette saturation se traduit par une diminution de 0.013 de l’albédo du sol analysé entre le début du mois de Septembre et le début du mois de Décembre. Les évolutions de la version CA-14 ne permettent pas de distinguer ces années climatiques différentes. En effet, dans la version CA-14, des variations intra-annuelles de l’albédo du sol existent mais les variations interannuelles sont très atténuées. Ces faibles différences entre années sont dues au fait que l’erreur associée au FCOVER utilisé (ECOCLIMAP) est tellement grande qu’elle masque des variations plus fines dues au changement de propriétés de réflectivité du sol.
La différence entre l’albédo de la végétation (Figure IV-11(b)) de la nouvelle version et de la version CA-14 est beaucoup moins prononcée que pour le sol. Ceci est lié à la construction de la
matrice de covariance (𝐴𝑖−1) et sera discuté dans la Section 5. En moyenne, le nouveau produit
évolue autour d’une valeur de 0.183 pour une valeur de 0.186 et 0.180, respectivement pour les versions RE-08 et CA-14. Il est important de noter que la Figure IV-11(b) montre l’évolution de l’albédo de la végétation dans le domaine du SW. Par conséquent, la période estivale est marquée par un albédo SW maximal tandis que l’albédo VIS est minimal durant cette même période (voir Section 3.2.1).
4. Evaluation de la méthode de désagrégation de l’albédo de surface 157
Figure IV-11 : Evolution de l’albédo bi-hémisphérique (a) du sol et (b) de la végétation, entre 2001 et 2013 sur la zone d’étude (France élargie), pour les trois méthodes de désagrégation : RE-08 (en noir), CA-14 (en vert) et PL-17 (en rouge), dans le domaine du SW. Les bandes bleues indiquent les périodes hivernales (début décembre à fin mars) et les bandes beiges mettent en évidence les périodes estivales (début juin à fin septembre).
Les Figure IV-11(a) et Figure IV-11(b) appuient la cohérence temporelle des produits analysés par la nouvelle méthode comparée aux deux versions précédentes. La méthode a permis de produire des résultats dynamiques, comme dans la version CA-14, mais avec une dynamique plus importante et qui semble traduire les différences climatiques entre les années. De plus les valeurs moyennes se rapprochent des valeurs désagrégées RE-08, qui sont considérées comme une référence (voir Section 1). Ainsi le nouvel algorithme semble produire des résultats dynamiques et permettant de distinguer des années climatiques différentes. Outre la cohérence temporelle, il est important de s’assurer de la cohérence spatiale du produit.
4.1.2. Inter-comparaison spatiale des albédos du sol nu
Afin de s’assurer de la cohérence spatiale des produits, la dispersion spatiale des valeurs moyennes d’albédo du sol a été étudiée pour chaque type de sol et confronté à la dispersion obtenue à partir des valeurs RE-08 et CA-14.
La Figure IV-12 montre les résultats de cette comparaison. Pour chacun des 18 types de sol, mentionnés Section 2.2.1 et Figure IV-2, et pour chacune des versions de désagrégation, une boîte à moustache des valeurs moyennes d’albédo du sol a été réalisée. Si le produit albédo du sol est cohérent alors, pour un même type de sol, les valeurs doivent être sensiblement équivalentes et, par conséquent, la dispersion doit être faible. La Figure IV-12 met en évidence le fait que la nouvelle
version, tout comme les versions précédentes, permet de produire des albédos cohérents au niveau spatial. Les valeurs moyennes obtenues sont sensiblement les mêmes, quel que soit la version utilisée. On note cependant une dispersion moindre au niveau des Calcisols en utilisant la nouvelle version comparée à la version CA-14. En effet, dans la version RE-08, considérée comme référence dans cette analyse spatiale (voir Section 1), la valeur médiane pour ce type de sol est de 0.189 avec un écart interquartile de 0.075 et un écart type de 0.042. La nouvelle méthode produit des résultats avec une valeur médiane de 0.189 et des écarts interquartiles et type, respectivement, de 0.068 et 0.047, tandis que la version CA-14 des valeurs autour de 0.175 avec des écarts de 0.095 et 0.061. L’albédo du sol était inférieur avec la version CA-14 par rapport à la version RE-08 dans la Figure IV-11(a). Globalement le même constat est fait pour chaque type de sol dans la Figure IV-12. Ainsi, la nouvelle méthode a permis de fournir des données dynamiques et plus réalistes temporellement, par rapport aux versions précédentes (voir Figure IV-11), tout en réussissant à conserver une cohérence spatiale par type de sol (voir Figure IV-12).
Il est important de noter que cette Section 4.1 s’intéresse à des évolutions moyennes à l’échelle de la zone d’étude (France métropolitaine). Afin d’évaluer correctement les produits désagrégés, il est également important de s’intéresser à l’évolution de ces albédos à l’échelle du pixel et d’évaluer leur cohérence temporelle propre.
Fi g u re IV -12 : Boît e à m ou st a ch e d es va leu rs moyen n es d ’a lb édo du s ol S W entr e 2 0 0 1 et 2 0 1 3 , iss u es d es m étho d es d e désag réga tion RE -08 , CA -1 4 et P L-1 7 , po ur ch a q u e t yp e d e s ol déc rit Fi g u re IV -2
4.2. Cohérence temporelle de l’albédo du sol
4.2.1. Pluviométrie minimale et albédo du sol maximal
Afin de valider la cohérence temporelle de l’albédo du sol nu obtenu à partir de la méthode PL-17, pour chaque site de relevé de précipitations, la date de précipitation minimale a été identifiée.
La Figure IV-13 cherche à mettre en évidence la cohérence entre la période de pluviométrie minimale et la période d’albédo maximal du sol (Figure IV-13(a)) et de la surface (Figure IV-13(b)). Comme nous pouvons le voir sur les Figure IV-13(a) et Figure IV-13(b), les périodes de pluviométrie minimales ne sont pas les mêmes partout en France. En effet, sur le sud du bassin parisien et le sud de la Provence les pluviométries minimales sont atteintes durant les mois d’été. Sur la zone centre-ouest s’étend une zone où la pluviométrie est minimale durant l’automne, tout comme dans le nord de la zone Midi-Pyrénées. En Aquitaine, les pluies sont principalement basses durant le printemps. Dans le quart Sud-Est de la France la période d’hiver et de printemps sont les périodes montrant les précipitations les plus faibles. Entre la région du Centre et la Normandie, s’étend une bande marquée par un minimal printanier. Enfin, la Bretagne, quant à elle, n’est marquée par aucune période particulière. La Figure IV-13(a) met en évidence la période des dates où l’albédo du sol, analysé par la nouvelle version d’albédo, est maximal. Nous pouvons noter que la distribution spatiale des dates d’albédo du sol maximal est similaire à la distribution des dates de pluviométries minimales. Cette distribution n’est pas retrouvée lorsque l’on cherche à corréler les dates de pluviométrie minimale avec les dates où l’albédo de surface est maximal, voir Figure IV-13(b). En effet, dans 37% des cas seulement, le mois où l’albédo de surface est maximal et le mois où les précipitations sont minimales sont identiques. La nouvelle version de désagrégation a permis de mettre en évidence un apport de l’utilisation de l’albédo désagrégé. Dans 68% des cas, le mois où l’albédo du sol est maximal est retrouvé au travers de la date de pluviométrie minimale. Ainsi, la Figure IV-13 renforce l’évaluation de la cohérence temporelle du produit. Cependant dans 32% des cas, le mois où l’albédo du sol est maximal n’est pas retrouvé au travers de la date de pluviométrie minimale. Cette limite sera discutée dans la Section 5.
Figure IV-13 : Cartographie des dates de pluviométrie minimale et d’albédo SW maximal (a) du sol et (b) de la surface totale, en 2012 en France. Les données d’albédo utilisées sont des données bi-hémisphériques.
(a)
4.2.2. Albédo du sol : une fonction de l’humidité
Afin de valider le produit d’albédo du sol, la relation entre albédo du sol et SWI a été étudiée à l’échelle de la France (élargie) et par type de composition du sol.
La Figure IV-14(a) présente la relation obtenue pour cinq types de texture du sol (classifiés
selon la teneur en sable). Une relation exponentielle optimale a été retrouvée avec des valeurs 𝑝0, 𝑝1
et 𝑝2 respectivement de 0.085, 0.087 et 0.327 en moyenne(Figure IV-14(a)). Les valeurs de 𝑝0, 𝑝1 et
𝑝2 varient selon la texture du sol entre 0.081 et 0.090, 0.084 et 0.092 et entre 0.171 et 0.410, respectivement. En utilisant les données SEVIRI (toutes les 15 minutes) sur des zones non, ou très
peu, végétalisées Carrer et al. (2014) avaient fixé une valeur 𝑝0de 0.08. La nouvelle version de
désagrégation (données tous les 8 jours composite de 16 jours) permet de retrouver une valeur 𝑝0
de 0.085 sans aucune condition de densité de végétation (FCOVER) au-dessus du sol et sans aucune valeur de paramètre fixée. Toutefois, comme le montre la Figure IV-14(b) les valeurs d’humidité du sol (SWI) sont très peu dispersées et ne permettent pas de se rendre compte de la véritable relation entre albédo du sol et humidité. Ces SWI très regroupés s’expliquent par le fait que l’albédo de surface MODIS utilisé, et par conséquent les albédos désagrégés qui en découlent, est un produit distribué tous les 8 jours et un composite de 16 jours (voir discussion dans la Section 5).
La nouvelle méthode de désagrégation, présentée dans ce chapitre, est en cours d’implémentation dans la chaîne opérationnelle du projet SAF-Land pour le satellite MSG. Afin de valider la méthode de désagrégation PL-17 la même analyse, que celle faite avec MODIS, a été faite avec l’albédo du sol issu de MSG et le SWI ISBA. Les premiers résultats ont montré que l’utilisation d’un produit quotidien permet de mieux suivre les variations d’humidité et d’accéder à une palette plus importante de SWI. La Figure IV-14(c) montre la relation entre l’albédo du sol nu quotidien issu de MSG et le SWI, entre 2007 et 2012 en France. Malgré une résolution spatiale plus faible (4.2 km sur la France contre 1km avec MODIS), le produit albédo du sol MSG permet de mettre en évidence,
(a) (c) (b) SWI1 SWI1 SWI1 (sable >= 0.55) SWI1 (0.45 =< sable < 0.55) SWI1 (0.35 =< sable < 0.45) SWI1 (0.25 =< sable < 0.35) SWI1 (sable < 0.25) sable < 0.25 -> 0.25 =< sable < 0.35 -> 0.35 =< sable < 0.45 -> 0.45 =< sable < 0.55 -> sable >= 0.55 -> sable < 0.25 -> 0.25 =< sable < 0.35 -> 0.35 =< sable < 0.45 -> 0.45 =< sable < 0.55 -> sable >= 0.55 ->
Figure IV-14 : Relation entr e l’humidité d u sol (SWI1-ISBA) et les albédos du sol SW (MODIS) issus du nouvel algorithme de désagrégation (a) détaillé pour 5 catégories de texture du sol et (b) pour tous les types de sols. La relation entre humidité du sol (SWI1-ISBA) et les albédos du sol SW issus du nouvel algorithme de désagrégation implémentés dans le projet SAF-Land pour le satellite MSG est montré en (c).
La Figure IV-15 s’intéresse plus précisément à la relation moyenne qui existe entre ce produit d’albédo du sol MSG (SW) et le SWI. Pour des valeurs de SWI1 inférieures à 0 (sol sec), l’albédo du sol à tendance à saturer. Entre le point de flétrissement (SWI=0) et la capacité au champ (SWI=1), l’albédo du sol évolue en fonction du SWI1 selon une loi décroissante quasiment linéaire. Lorsque la capacité au champ est atteinte, cette relation cesse puis elle s’inverse. L’albédo du sol évolue alors en fonction du SWI1 selon une loi croissante. Ce phénomaine d’inversion de la relation entre l’albédo du sol et l’humidité superficielle du sol à partir d’un certain taux d’humidité est observé dans la nature et a été rapporté par plusieurs travaux scientifiques (Patel, 1979 ; Neema et al., 1987 ; Weidong et al., 2002). Il est dû au fait que lorsque le sol est saturé en eau, celle-ci remonte à la surface et forme un film brillant qui participe à augmenter l’albédo.
Figure IV-15 : Relation entre l’albédo du sol SW moyen, issu du nouvel algorithme de désagrégation (PL-17) implémenté dans le projet SAF-Land sur le satellite MSG, et l’humidité du sol (SWI1-ISBA après assimilation ASCAT), en France métropolitaine.
4.3. Evaluation expérimentale de l’albédo du sol sur le site des Corbières
A l’échelle locale du site des Corbières une validation directe et indirecte a également été mise en place afin de valider la cohérence temporelle du produit désagrégé d’albédo du sol « nu ». La
Figure IV-16 présente l’évolution de l’𝛼𝑆𝑊𝑠𝑜𝑙𝑃𝐿−17moyen entre 2001 et 2013. Les albédos du sol mesurés
à partir du CNR1 ont été ajoutés. Il est important de noter que les mesures présentées Figure IV-16 sont les valeurs relatives. En effet des valeurs de 0.357, 0.335, 0.333 et 0.265 ont été mesurées, respectivement, au 3 Août, 2 Septembre, 3 Novembre et 7 Décembre avec le CNR1. La valeur de l’albédo issu de la méthode PL-17 est de 0.084 au 3 Août en moyenne. Cet écart entre les valeurs modélisées et les mesures terrain sera discuté dans la Section 5.
Figure IV-16 : Evolution de l’albédo du sol SW moyen issu de la nouvelle version de désagrégation, sur le site des Corbières entre 2001 et 2013. En triangles rouges sont indiqués les albédos du sol issus des mesures terrain (valeurs relatives par rapport à la date du 3 Août) faites sur ce même site avec l’albédo-mètre CNR1.
Afin de comparer les valeurs d’albédo du sol issues du modèle et des mesures terrain, l’étude a été menée de manière relative. Entre le 03-08-2016 et le 02-09-2016, une diminution de 6% des valeurs a été identifiée à partir du CNR1 (0.357 vs 0.335). Entre le 03-08-2016 et le 03-11-2016, cette diminution est portée à 7%. Finalement, entre le 03-08-2016 et le 07-12-2016, une diminution de 25% de l’albédo du sol est mise en évidence par les mesures terrain. Le 3 Août, une valeur moyenne de 0.084 est obtenue pour l’albédo du sol avec la méthode PL-17. Ainsi si la valeur de mesurée le 03 Août 2016 est affectée comme étant de 0.084, les valeurs de 0.079, 0.078 et 0.063 sont obtenues
pour les trois dates suivantes, respectivement dues à une chute de 6%, 7% et 25% par rapport au 3 aout. De manière relative, les valeurs absolues ne pouvant être comparées, la Figure IV-16 met en
évidence une cohérence dans l’évolution de l’𝛼𝑆𝑊𝑠𝑜𝑙𝑃𝐿−17moyen par rapport aux valeurs issues de la
campagne de terrain.
Finalement, l’albédo du sol obtenu à partir de la nouvelle méthode de désagrégation sur le Site des Corbières a été confronté aux relevés de précipitations quotidiennes de Carcassonne (site de relevé pluviométrique le plus proche), entre 2001 et 2013. La Figure IV-17 présente ces résultats. Sur
le site des Corbières, l’𝛼𝑆𝑊𝑠𝑜𝑙𝑃𝐿−17évolue entre 0.053 et 0.114, avec des valeurs élevées durant la période
estivale, en moyenne autour de fin juillet, tandis que les valeurs les plus faibles sont atteintes durant la période hivernale, généralement autour de début janvier. Globalement, la Figure IV-17 permet de noter que la fréquence des pluies, et pas seulement la quantité, est un facteur clé pour l’estimation de l’albédo du sol. Ainsi, on note que la date où la fréquence des pluies augmente marque le début de la phase de décroissance de l’albédo. Prenons par exemple l’année 2003. Le 12-07-2003 (date MODIS) est détecté comme la date annuelle où l’albédo du sol est maximal, sur cette période la pluviométrie et nulle. A partir de la date suivante (20-07-2003), les précipitations commencent (0.58 mm en moyenne sur la période de composition du produit MODIS), et ne s’arrêteront pas jusqu’à l’année suivante, marquant le début de la phase de diminution de l’albédo du sol.
Figure IV-17 : Evolution de l’albédo SW du sol entre 2001 et 2013 sur le site des Corbières, issu de la nouvelle méthode (en rouge). Les barres verticales bleues indiquent les quantités de pluie journalières relevées sur le site le plus proche (Carcassonne)
5. Discussion
5.1. Nouvelle méthode de désagrégation
5.1.1. Filtre de Kalman « végétation »
Afin d’isoler de manière dynamique et réaliste la composante « végétation » de la composante « sol », une nouvelle méthode de désagrégation de l’albédo de surface a été développée : la méthode PL-17. La nouvelle méthode de désagrégation de l’albédo de surface PL-17 s’appuie sur deux filtres de Kalman imbriqués (DNKF), voir « Désagrégation PL-17 » de la Figure IV-4. Le premier filtre de Kalman a permis d’analyser le FCOVER à partir de valeurs a priori (ECOCLIMAP) et de valeurs nouvellement observées (GEOV1). Le produit issu de cette analyse est constamment compris entre ces deux valeurs du vecteur d’observation. Le filtre de Kalman mis en place sur a permis de produire un FCOVER dynamique temporellement et spatialement très proche du FCOVER GEOV1 distribué par le service européen Copernicus Global Land. Toutefois à la différence de ce dernier, le FCOVER analysé possède des séries temporelles complètes et peu bruitées. Afin de limiter la propagation du bruit des différentes données observées dans le produit analysé, une fonction dépendante d’un paramètre d'inflation temporelle a été utilisée. Ce paramètre influence la vitesse de variation du FCOVER analysé. La vitesse de variation de la quantité de végétation (FCOVER) d’un écosystème va dépendre de sa phénologie. Rechid et Jacob (2006) ont paramétré la phénologie avec une fréquence mensuelle. Dans cette étude, le FCOVER analysé est produit avec un pas de temps de 8 jours mais une influence mensuelle contrôle l’évolution de la quantité de végétation (FCOVER). Ainsi, le paramètre d’inflation temporelle a permis de réduire significativement le bruit constaté dans le produit satellitaire GEOV1 Camacho et al. (2013).
Malgré l’utilisation d’un paramètre d'inflation temporelle, le FCOVER analysé issu du filtre de Kalman « végétation » continu de présenter un léger bruit dans les séries temporelles. Une correction plus importante de ces décrochages est possible grâce à ce paramètre. Cependant, le choix de ne pas rectifier de manière plus importante le produit FCOVER GEOV1 a été fait. En effet,